Notes du cours 4M056 Programmation en C et C++ Vincent Lemaire

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1 Notes du cours 4M056 Programmation en C et C++ Vincent Lemaire 19 janvier 2014

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3 Organisation du cours 4M056 Ce cours a pour but de vous donner une base solide de programmation en C et des connaissances de programmation en C++ en insitant sur 2 concepts présents dans de nombreux langages modernes : la programmation orienté objet et la programmation générique. On insistera sur la différence entre ces 2 langages en découpant le semestre en 2 parties, la première dédiée au C et la seconde au C++. Le cours mettra l accent sur la compréhension des mécanismes de ces langages (mécanisme d appel des fonctions, pointeurs, structures, objets, héritage,...) et donnera les principales règles de syntaxe de ces langages mais ne pourra pas être exhaustif étant donné le temps imparti. Ainsi certaines fonctions des librairies standards ne seront pas vues en cours ni utilisées en TP. Le nombre d étudiants inscrits est limité à 90 étudiants. Il y a 3 groupes de TP et une répartition uniforme des étudiants sur ces 3 groupes est indispensable pour le bon fonctionnement des TP. L inscription dans l un des 3 groupes est obligatoire et nécessaire pour valider ce module. Les groupes ont lieu : lundi de 13h à 16h : Maison de la Pédagogie B006 mercredi de 13h45 à 16h45 : Maison de la Pédagogie B006 jeudi de 13h45 à 16h45 : Maison de la Pédagogie B006 Les séances de TP sur machine sont obligatoires. Elles donnent lieu à une note (à travers 2 séances de TP notés) qui compte pour 25% dans la note finale. Calendrier prévisionnel pour l année /01 au 17/02 : 5/6 cours de C TP notés en C : semaine du 24/02 17/02 au 31/03 : 6/7 cours de C++ TP notés en C++ : semaine du 07/04 Calcul de la note finale (sur 100) note finale = 1 4 ( note du TP1 + note du TP2 2 ) + 3 (note examen) 4 Les notes de cours qui suivent sont en cours de rédaction et ne contiennent pas tous les détails et commentaires vus en cours. Vous trouverez en priorité le plan du cours et les programmes d exemples. Ce document sera régulièrement mis à jour. 3

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5 Première partie Programmation en C 5

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7 Chapitre 1 Introduction On commence ce cours par 2 citations (d actualité lors de l écriture de ce polycopié) à propos de Dennis Ritchie, disparu une semaine après Steve Jobs en octobre citation de la page Wikipedia de Dennis Ritchie Dennis MacAlistair Ritchie, né le 9 septembre 1941 à Bronxville dans l État de New York et trouvé mort le 12 octobre 2011 à Berkeley Heights dans le New Jersey, est un des pionniers de l informatique moderne, inventeur du langage C et co-développeur de UNIX. Il est parfois désigné par dmr, son adresse aux Laboratoires Bell. Au début des années 1970, il travaille avec Ken Thompson en tant que programmeur dans les Laboratoires Bell sur le développement d UNIX. Pour UNIX, il s avère nécessaire d améliorer le langage B créé par Ken Thompson et c est ainsi que Ritchie crée le langage C. Par la suite, aidé de Brian Kernighan, il promeut le langage et rédige notamment le livre de référence The C Programming Language. Il reçoit conjointement avec Ken Thompson le prix Turing de l ACM en 1983 pour leur travail sur le système UNIX. citation de l article de Cade Metz dans Wired 1 When Steve Jobs died last week, there was a huge outcry, and that was very moving and justified. But Dennis had a bigger effect, and the public doesn t even know who he is, says Rob Pike, the programming legend and current Googler who spent 20 years working across the hall from Ritchie at the famed Bell Labs. On Wednesday evening, with a post to Google+, Pike announced that Ritchie had died at his home in New Jersey over the weekend after a long illness, and though the response from hardcore techies was immense, the collective eulogy from the web at large doesn t quite do justice to Ritchie s sweeping influence on the modern world. Dennis Ritchie is the father of the C programming language, and with fellow Bell Labs researcher Ken Thompson, he used C to build UNIX, the operating system that so much of the world is built on including the Apple empire overseen by Steve Jobs. Pretty much everything on the web uses those two things : C and UNIX, Pike tells Wired. The browsers are written in C. The UNIX kernel that pretty much the entire Internet runs on is written in C. Web servers are written in C, and if they re not, they re written in Java or C++, which are C derivatives, or Python or Ruby, which are implemented in C. And all of the network hardware running these programs I can almost guarantee were written in C. It s really hard to overstate how much of the modern information economy is built on the work Dennis did. Even Windows was once written in C, he adds, and UNIX underpins both Mac OS X, Apple s desktop operating system, and ios, which runs the iphone and the ipad. Jobs was the king of the visible, and Ritchie is the king of what is largely invisible, says

8 8 CHAPITRE 1. INTRODUCTION Martin Rinard, professor of electrical engineering and computer science at MIT and a member of the Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory. Jobs genius is that he builds these products that people really like to use because he has taste and can build things that people really find compelling. Ritchie built things that technologists were able to use to build core infrastructure that people don t necessarily see much anymore, but they use everyday. From B to C Dennis Ritchie built C because he and Ken Thompson needed a better way to build UNIX. The original UNIX kernel was written in assembly language, but they soon decided they needed a higher level language, something that would give them more control over all the data that spanned the OS. Around 1970, they tried building a second version with Fortran, but this didn t quite cut it, and Ritchie proposed a new language based on a Thompson creation known as B. Depending on which legend you believe, B was named either for Thompson s wife Bonnie or BCPL, a language developed at Cambridge in the mid-60s. Whatever the case, B begat C. B was an interpreted language meaning it was executed by an intermediate piece of software running atop a CPU but C was a compiled language. It was translated into machine code, and then directly executed on the CPU. But in those days, C was considered a high-level language. It would give Ritchie and Thompson the flexibility they needed, but at the same time, it would be fast. That first version of the language wasn t all that different from C as we know it today though it was a tad simpler. It offered full data structures and types for defining variables, and this is what Richie and Thompson used to build their new UNIX kernel. They built C to write a program, says Pike, who would join Bell Labs 10 years later. And the program they wanted to write was the UNIX kernel. Ritchie s running joke was that C had the power of assembly language and the convenience of assembly language. In other words, he acknowledged that C was a less-than-gorgeous creation that still ran very close to the hardware. Today, it s considered a low-level language, not high. But Ritchie s joke didn t quite do justice to the new language. In offering true data structures, it operated at a level that was just high enough. When you re writing a large program and that s what UNIX was you have to manage the interactions between all sorts of different components : all the users, the file system, the disks, the program execution, and in order to manage that effectively, you need to have a good representation of the information you re working with. That s what we call data structures, Pike says. To write a kernel without a data structure and have it be as consist and graceful as UNIX would have been a much, much harder challenge. They needed a way to group all that data together, and they didn t have that with Fortran. At the time, it was an unusual way to write an operating system, and this is what allowed Ritchie and Thompson to eventually imagine porting the OS to other platforms, which they did in the late 70s. That opened the floodgates for UNIX running everywhere, Pike says. It was all made possible by C. Apple, Microsoft, and Beyond At the same time, C forged its own way in the world, moving from Bell Labs to the world s universities and to Microsoft, the breakout software company of the 1980s. The development of the C programming language was a huge step forward and was the right middle ground C struck exactly the right balance, to let you write at a high level and be much more productive, but when you needed to, you could control exactly what happened, says Bill Dally, chief scientist of NVIDIA and Bell Professor of Engineering at Stanford. [It] set the tone for the way that programming was done for several decades. As Pike points out, the data structures that Richie built into C eventually gave rise

9 1.1. LANGAGE DE PROGRAMMATION 9 to the object-oriented paradigm used by modern languages such as C++ and Java. The revolution began in 1973, when Ritchie published his research paper on the language, and five years later, he and colleague Brian Kernighan released the definitive C book : The C Programming Language. Kernighan had written the early tutorials for the language, and at some point, he twisted Dennis arm into writing a book with him. Pike read the book while still an undergraduate at the University of Toronto, picking it up one afternoon while heading home for a sick day. That reference manual is a model of clarity and readability compared to latter manuals. It is justifiably a classic, he says. I read it while sick in bed, and it made me forget that I was sick. Like many university students, Pike had already started using the language. It had spread across college campuses because Bell Labs started giving away the UNIX source code. Among so many other things, the operating system gave rise to the modern open source movement. Pike isn t overstating it when says the influence of Ritchie s work can t be overstated, and though Ritchie received the Turing Award in 1983 and the National Medal of Technology in 1998, he still hasn t gotten his due. As Kernighan and Pike describe him, Ritchie was an unusually private person. I worked across the hall from him for more than 20 years, and yet I feel like a don t knew him all that well, Pike says. But this doesn t quite explain his low profile. Steve Jobs was a private person, but his insistence on privacy only fueled the cult of personality that surrounded him. Ritchie lived in a very different time and worked in a very different environment than someone like Jobs. It only makes sense that he wouldn t get his due. But those who matter understand the mark he left. There s that line from Newton about standing on the shoulders of giants, says Kernighan. We re all standing on Dennis shoulders. 1.1 Langage de programmation Un programme désigne un fichier texte (que l on écrit avec un éditeur de texte et non un traitement de texte) composé d instructions qui doivent respecter des règles de syntaxe. Chaque langage de programmation a ses propres instructions et règles de syntaxes. Un outil lié au langage de programmation est utilisé pour transformer ce programme texte en une suite de blocs de 8, 16, 32 ou 64 bits. Chaque bloc est appelé un mot machine et la suite de ces blocs constitue un programme en langage machine executable par la machine. Bien entendu, ce programme machine est constitué d une suite de 0 et de 1 et est incompréhensible pour le programmeur. De façon schématique, il existe deux outils permettant de faire executer un programme par la machine un interpréteur : qui à chaque execution parcourt le fichier texte (appelé dans ce cas script) et traduit la suite des instructions en langage machine aussitôt executé, un compilateur : qui traduit une seule fois le fichier texte (appelé dans ce cas fichier source) en un fichier machine (fichier objet) executable. Un programme dans un langage interprété est souvent plus facile à apprendre, à écrire, à corriger et à maintenir mais sera plus long à l execution (car la phase d interprétation peut être coûteuse en temps). De nombreux logiciels scientifiques possèdent leur propre langage de programmation interprété, par exemple : scilab, matlab, mathematica, mapple. De même, on peut citer les langages très utilisés actuellement comme : Perl, Python, Ruby, Lua et des langages plus spécialisés comme javascript, sql, php, etc. La compilation permet la transformation directe d un fichier source en un fichier objet compréhensible par la machine. Ce fichier objet peut être en lien avec d autres fichiers objets et le tout forme ce qu on appelle communément un programme ou une application. Des fichiers objets peuvent aussi être regroupés pour former ce qu on appelle une librairie (par exemple un fichier.dll sous windows ou.a ou.so sur des systèmes UNIX). Une librairie est un ensemble de codes qui peut être appelé (utilisé) dans un autre programme. Les langages C et C++ sont des langages compilés et le compilateur utilisé dans ce cours est le

10 10 CHAPITRE 1. INTRODUCTION GNU Compiler Collection ou GCC disponible sur toutes les architectures que vous pouvez utiliser. De nombreux langages compilés existent et ont tous leurs propres usages. On peut citer Fortran, Pascal, Java, OCaml, ObjectiveC, etc. 1.2 Evolution du langage C Le langage C a été «modernisé» depuis sa création il y a environ 40 ans. Le C classique, aussi connu sous le nom de C K&R, se réfère au livre fondateur de Kernighan et Ritchie intitulé The C Programming Language paru en Le langage a ensuité été normalisé en 89 et donne lieu au ANSI C qui correspond au standard utilisé par tous les compilateurs sur toutes les architectures (ordinateurs personnels, supercalculateurs, puces spécialisées, etc.). Cette norme a depuis évolué 2 fois : en 99 ce qui a donné lieu au C99 et l année dernière en La norme C99 commence a être intégrée par tous les compilateurs (entièrement prise en charge dans gcc) et la norme C11 qui ajoute de nombreuses fonctionnalités n est pas encore bien implémentée. Dans ce cours, on présente le ANSI C avec de nombreuses parenthèses sur le C99. création en et popularisé en 1978 : C K&R normalisation en 1989 : ANSI C normalisation en 1999 : C99 normalisation en 2011 : C Phases de compilation Ce qu on appelle compilation est en fait composée de 3 phases : le préprocesseur : mécanisme rudimentaire qui applique des règles pour préparer le code : inclusion de fichiers d en-tête (header) contenant la déclaration de fonctions, déclaration de constante et de macros. Ce mécanisme de règles ne fait pas partie du langage C : il n y a pas de notion d instruction (donc pas de «;»), pas de variables, pas de fonctions, etc. Moralement, on peut voir ce mécanisme comme un copié/collé automatisé. Ce mécanisme rudimentaire est néanmoins très efficace et est utilisé par d autres langages comme le C++. De nombreux codes écrits dans les années 80 utilisent des macros pour optimiser le code. Dans ce cours, on n autorisera pas l utilisation de ces macros qui peuvent produire des erreurs importantes (cf. plus tard...) Pour information, le résultat de cette phase est accessible en utilisant le compilateur gcc avec les options -E et -P (pour plus de lisibilité). la compilation et l assemblage : c est la phase principale où le code source est vérifié et si aucune erreur de syntaxe n est détectée il est traduit en code objet. Il y a donc pour chaque fichier source.c un fichier objet.o créé. Plus précisément le code source est d abord traduit en langage assembleur (propre à l architecture du système) puis ce code assembleur est transformé en fichier binaire. Ces deux premières phases sont accessibles avec l option -c de gcc. l édition de liens : mécanisme permettant de faire le liens entre les différents fichiers objets produits et les fichiers objets des fonctions système (c est à ce moment que le code objet d une fonction est intégrée au programme). S il n y a pas d erreurs (si le compilateur trouve tous les bouts de code objets dont il a besoin) alors il y a création d un fichier executable. Ce fichier executable est ce qu on appelle communément programme ou application. Par défaut sur un système Linux le fichier executable produit s appelle a.out. Pour obtenir un nom différent on utilise l option -o de gcc. Pour l utilisation de certaines librairies (l inclusion de certains fichiers d en-têtes) il peut être nécessaire d indiquer un chemin au compilateur qui lui permet de trouver le code objet correspondant. Par exemple pour utiliser le fichier système math.h qui contient la déclaration de fonctions mathématiques (comme sqrt, pow, abs, fabs, etc.) on doit ajouter l option -lm.

11 1.4. PREMIER PROGRAMME EN C Premier programme en C Voici à quoi ressemble un programme très simple en C. Le fichier source s appelle test.c. Fichier test.c # include <stdio.h> 2 int main( void) { 4 printf("bonne annee!"); return 0; 6 } Commentaires ligne 1 : il ne s agit pas d une instruction en langage C mais d une ligne destinée au préprocesseur : on indique que l on a besoin de fonctions déclarées dans le fichier système stdio.h. Ce fichier d en-tête (header) contient les fonctions standards d entrées-sorties (stdandard input output), c est à dire les fonctions qui lisent ou qui écrivent sur la ligne de commande, dans un fichier, ou plus généralement dans ce qu on appelle un flux. Toutes les lignes qui débutent par le caractère # dans un programme sont destinées au préprocesseur (cf. annexe pour plus de détails). ligne 2 : il s agit de la déclaration de la fonction qui s appelle main qui ne prend aucun argument (void) et qui renvoie un entier int. Le nom de la fonction main n est pas choisi par hasard, il fait partie de la syntaxe du langage. Cette fonction main joue un rôle très particulier car c est la première fonction appelée lors de l execution du programme, et sa présence est nécessaire pour créer un fichier executable lors de l édition de liens. Un programme qui ne contient pas de fonction main peut néanmoins être compilé en un fichier objet. lignes 3 et 6 : ouverture et fermeture d un bloc qui contient des instructions, ici les lignes 4 et 5. Ce bloc constitue la définition de la fonction main déclarée à la ligne 2. Ainsi on dira que les lignes 2 à 6 constituent la déclaration et la définition de la fonction main. ligne 4 : appel de la fonction printf avec l argument "Bonne annee!". L argument est une chaîne de caractères (au format ASCII c est à dire sans les caractères accentués). Cette ligne forme une instruction en C (appel d une fonction avec un argument) et se termine par un point virgule. Ce caractère «;» est utilisé pour séparer les instructions. Le saut de ligne est facultatif pour le compilateur mais nécessaire pour une bonne lisibilité du code. La fonction printf affiche la chaîne de caractère donnée en argument sur la ligne de commande qui execute le programme. ligne 5 : le mot-clé return fait partie du langage C et doit être suivi d une expression «compatible» avec ce que renvoie la fonction. Ici on se trouve dans la définition de la fonction main qui renvoie un entier int donc le mot-clé return doit être suivi d un entier. Le 0 que l on renvoie dans cet exemple indique au système d exploitation que le programme s est bien déroulé. Dans des programmes plus complexes on peut renvoyer un entier codant pour une erreur particulière (tout cela devant être documenté dans la page de manuel accompagnant le programme). Compilation Pour effectuer uniquement la phase du préprocesseur et voir le code C produit, on peut taper dans un terminal la commande suivante 2 : $ gcc -E -P test.c Si l on veut sauver le résultat dans un fichier texte test_apres_preproc.c on peut rediriger cette sortie 2. le symbole $ en début de ligne indique qu il s agit d une commande dans un terminal et ne doit pas être recopié

12 12 CHAPITRE 1. INTRODUCTION en utilisant l opérateur > de l interpréteur de la ligne de commande (bash, zsh ou bien d autres...). On peut donc taper $ gcc -E -P test.c > test_apres_preproc.c puis éditer ce fichier test_apres_preproc.c pour voir son contenu. Pour vérifier qu il n y a pas d erreur de syntaxe et que l appel des fonctions existentes est correct, on effectue la phase de compilation (et d assemblage) qui produit un fichier objet. Ainsi, on tape la commande $ gcc -c test.c qui produit le fichier test.o s il n y a pas d erreur. C est à cette étape qu il faut souvent corriger les erreurs de syntaxe. Enfin pour créer le fichier executable que l on appelle ici prog1 on utilise la commande suivante $ gcc test.c -o prog1 L option -o indique le nom du fichier executable créé s il n y a pas d erreur lors de l édition de liens. Sans cette option, le fichier executable s appelle a.out sur les systèmes UNIX. Les erreurs qui peuvent se produire lors de cette phase viennent principalement du fait que gcc ne trouve pas les fichiers objets correspondants aux fonctions déclarées dans les fichiers d en-têtes (fichier header) Pour executer ce fichier executable sur un système UNIX on tape $./prog1 1.5 Un deuxième programme # include <stdio.h> 2 # include <math.h> # define PI Fichier aire.c // declaration et definition la fonction aire_rectangle 6 double aire_rectangle( double l1, double l2) { return l1* l2; 8 }; 10 /* declaration de la fonction aire_cercle puis definition ligne 18 */ 12 double aire_cercle( double rayon); 14 int main( void) { double aire = aire_cercle (0.5 * sqrt(5)); 16 printf(" aire du cercle de diametre racine de 5: %g", aire); return 0; 18 }; 20 double aire_cercle( double rayon) { return PI* rayon* rayon; 22 };

13 1.6. ORGANISATION D UN PROGRAMME 13 Commentaires lignes 1-3 : 3 lignes destinées au préprocesseur : inclusion des 2 fichiers systèmes stdio.h et math.h et définition d une constante PI suivie de sa valeur. Attention la «définition» de PI constitue un racourci d écriture pour la suite du programme et non la création d une variable. ligne 5 : tout ce qui suit // est mis en commentaire jusqu au bout de la ligne. lignes 6-8 : déclaration et définition de la fonction aire_rectangle (dont on a choisi le nom) qui prend 2 arguments l1 et l2 qui sont des variables de type double (représentant les nombres réels) et qui renvoie une variable de type double. La fonction aire_rectangle est la représentation d une fonction ( R R R, (l 1, l 2 ) l 1 l 2 ). Cette définition de fonction est suivie d un «;» à la ligne 8. lignes : tout le texte entre /* et */ est mis en commentaire, même les sauts de ligne. ligne 12 : déclaration de la fonction aire_cercle qui prend un argument qui s appelle rayon de type double et qui renvoie un double. lignes : déclaration et définition de la fonction principale l.15 : déclaration de la variable aire de type double et initialisation de cette variable avec la valeur aire_cercle(0.5 * sqrt(5)). Cette valeur est le résultat de l appel de la fonction aire_cercle avec l argument 0.5 * sqrt(5)). De même, sqrt(5) est le résultat de l appel de la fonction sqrt (square root) déclarée dans le fichier math.h. les appels de fonctions peuvent être imbriqués sans restriction. La variable aire est dite locale car elle est déclarée dans une fonction. Dans ce cours, on utilisera exclusivement des variables locales l.16 : appel de la fonction d affichage printf avec 2 arguments. attention il est rare qu une fonction en C puisse s appeler avec un nombre variable d arguments (ici 2 et dans le premier programme 1). Ces fonctions à nombre variables d arguments sont plus complexes à écrire et utilisent le préprocesseur. Dans un premier temps il faut donc voir la fonction printf comme un cas particulier de fonction en C (cf. annexe pour plus de détails). lignes 20 : définition de la fonction aire_cercle précédemment déclarée. Compilation Pour compiler et executer ce programme on utilise alors les commandes suivantes : $ gcc aire.c -o prog2 -lm $./prog2 1.6 Organisation d un programme Comme dans les deux exemples vus précédemment, un programme doit être composé (pas forcément ordonné) de la façon suivante : des lignes destinées au préprocesseur précédées d un # des lignes de commentaires précédées de // ou entre /* et */ des déclarations de fonctions qui doivent précédées (dans le code source) leur utilisation. Notez que la définition peut se trouver après dans le code. Par exemple la fonction aire_cercle est déclarée ligne 12 puis utilisée ligne 15 et enfin définie ligne 20. des définitions de fonctions qui contiennent des instructions séparées par «;» des définitions de types (que nous verons plus tard) Enfin, un code source peut contenir en dehors de toute fonction des variables déclarées. Ces variables sont appelées variables globales et sont utilisables dans les lignes qui suivent leur déclaration. Dans ce cours, on n utilisera pas ces variables globales.

14 14 CHAPITRE 1. INTRODUCTION De plus, les fonctions ne peuvent pas être imbriquées les unes dans les autres : on en peut pas déclarer et définir une fonction dans une autre fonction. Par contre, les appels peuvent être imbriqués sans restriction. 1.7 Outils pour le développeur (non utilisés dans ce cours) Le compilateur est l outil essentiel pour le programmeur. Cependant il existe tout un «écosystème» d outils puissants pour aider le développeur. On peut citer par exemple un système de construction qui permet d automatiser les appels au compilateure et d éviter les lignes de commande trop longues ou complexes. L outil historique et encore très utilisé est l utilitaire make qui nécessite l écriture d un Makefile (cf. annexe pour des exemples). Il existe aussi scons. un débogueur (debugger) qui permet de suivre l execution d un programme pour trouver les sources d erreur (bugs). On peut vérifier l état de la mémoire, de chaque variable du programme, visualiser le code assembleur, etc. Le débogueur du projet GNU s appelle gdb. un gestionnaire de versions, très utile pour développer un projet à plusieurs : il gère les conflits entre les différents codes, garde des versions antérieures, etc. On peut citer CVS, Subversion ou git. un environnement de développement intégré (IDE) qui regroupe dans une interface graphique cohérente un éditeur de texte avec coloration syntaxique (mot-clés du langage en couleur), un système de construction, un débogueur, un gestionnaire de versions, etc. Un exemple d un tel IDE est eclipse. un profileur de code qui permet d aider à optimiser le code en analysant les performances du programme. Par exemple on peut utiliser gprof ou valgrind.

15 Chapitre 2 Syntaxe du C On représente la mémoire qui contient les données binaires (en base 2) du programme par le graphe suivant. Chaque case représente une zone mémoire qui contient un ou plusieurs octets (8 bits). Certaines cases possèdent un nom et/ou une adresse qui permet d accéder au contenu mémoire (la valeur). De plus, à chaque case correspond un type qui permet de «décoder» le contenu, c est à dire connaître la signification des bits. adresse nom Les cases qui ne possèdent ni nom, ni adresse (mais bien un type et une valeur) seront appelées constantes. 2.1 Vocabulaire Le langage C est un langage fortement typé c est à dire qu il faut déclarer le type de chaque variable que l on veut utiliser dans la suite du programme. De même pour les fonctions qu il faut déclarer avant de les appeler. Définition 1 Une variable est un espace réservé en mémoire qui possède les caractéristiques suivantes : son nom (unique) qui permet de l identifier, son type, c est la convention d interprétation de la séquence de bits qui constitue la variable, sa valeur, c est la séquence de bits elle-même, son adresse, c est l endroit dans la mémoire où elle est stockée. La déclaration d une variable se fait en choisissant un nom précédé d un type (le type est un mot-clé du langage ou défini précédemment dans le programme par le mot-clé typedef). Le nom doit ếtre lisible, avoir du sens pour aider la compréhension du programme, composé d une combinaison de caractères alpha-numériques sans accent (a...z A...Z 0...9) et du caractère «_». Le nom d une variable ne peut pas commencer par un chiffre. La lecture ou l accès à la valeur de la variable se fait simplement en utilisant son nom. Une variable a une durée de vie qui correspond à l endroit du code dans laquelle elle existe. Par défaut une variable existe uniquement dans le bloc défini entre accolades { } et elle est accessible et modifiable par les instructions de ce bloc. Ce comportement peut être modifié en utilisant des mot-clés appelés qualifieurs. Les plus importants sont const, static et extern. Dans ce cours, on insistera essentiellement sur const qui est fondamental. En général, on place le qualifieur devant le type de la variable que l on déclare. Il ne peut pas changer par la suite. 15

16 16 CHAPITRE 2. SYNTAXE DU C Pour agir sur ces variables on utilise deux mécanismes : des opérateurs et des appels de fonction 1. On parle d expression simple pour désigner une constante(0, 3.14, 'A', etc.) ou une variable existante (i.e. déjà déclarée). Attention, une déclaration n est pas une expression! Définition 2 Un opérateur est un symbole qui agit sur une ou deux expression(s) simple(s) (variable ou constante) pour créer une expression complexe. S il agit sur une seule expression on parle d opérateur unaire et sinon d opérateur binaire. On peut regrouper ces opérateurs de la façon suivante : opérateurs arithmétique (binaires) : + - * / % opérateurs arithmétique (unaires) : opérateurs sur les bits 2 : << >> & ^ ~ opérateurs d affectation : = += -= *= /= %= opérateurs de comparaison : ==!= < <= > >= opérateurs logiques :! && opérateurs «système» (unaires 3 ) : () [] * &. ->,?: sizeof() (type simple) En C il n est pas possible de définir de nouveaux opérateurs ou de changer le comportement de ces opérateurs. Dans toute la suite de ce cours on désigne par expression toute combinaison valide (syntaxiquement correcte) d expressions simples (variables ou constantes), d opérateurs et d appels de fonctions. Définition 3 Une instruction se termine toujours par un point-virgule et peut-être définie par une expression suivie par un point-virgule, ou une combinaison de mot-clés 4 agissant sur des expressions et des instructions. Un bloc est un ensemble de déclarations et d instructions rassemblées entre accolades { }. Notations : Dans les codes qui suivent, on notera expr l endroit où le programmeur doit mettre une expression isolée, instr là où l on attend une instruction ou un bloc d instructions, et type pour le type d une variable. L affectation permet d attribuer une nouvelle valeur à une variable. Pour cela on utilise l opérateur = avec à sa gauche le nom de la variable et à sa droite la nouvelle valeur. Lorsqu on donne une première valeur à la variable on parle d initialisation (on utilise alors le symbole = qui n est pas équivalent à l opérateur d affectation =). Syntaxe de deux blocs qui ont le même effet { 2 type var = expr; // déclaration et initialisation } 4 { type var; // déclaration 6 var = expr; // affection } On peut enchaîner les déclarations et initialisations éventuelles de variables de même type en utilisant l opérateur «,». Exemple : Syntaxe de déclarations multiples type var1 = expr1, var2, var3 = expr3; // déclarations Tout ce vocabulaire doit être maîtrisé pour suivre le cours. 1. en fait il s agit aussi de l action d un opérateur sur une zone mémoire 2. non utilisés dans ce cours 3. avec arguments possibles 4. mots définis dans le langage : if, else, do, while, for, switch, break, continue, return

17 2.2. TYPES Types Le type d une variable permet de lire corectement la valeur (l ensemble des bits) de la variable. En particulier, c est le type qui donne la taille de cette zone mémoire. Pour accéder à cette information on peut utiliser l opérateur sizeof() qui agit directement sur le type (cf. l exemple plus bas). Il y a peu de types prédéfinis en C mais on a la possibilité d en définir de nouveaux. On fait souvent la distinction entre types simples (entiers, réels, adresse) et types composés : tableaux, structures, etc Types simples Types entiers Plusieurs mots-clés sont définis pour représenter les entiers (relatifs et naturels). La seule différence entre ces types est la taille de la zone mémoire utilisée pour le stockage de la valeur de l entier. Une remarque importante est que cette taille peut changer d une architecture à une autre. Cependant sur des systèmes classiques (ordinateurs personnels) on peut donner les informations suivantes : short codé sur 2 octets int codé sur 4 octets long codé sur 4 ou 8 octets long long 5 codé sur 8 octets Par défaut ces types représentent des entiers relatifs c est à dire signés. Pour utiliser des entiers naturels on fait précéder le type du mot-clé unsigned. Les constantes entières peuvent s écrire en base 10 (par défaut), en base 8 (1 octet, nombre octal) ou en base 16 (2 octets, nombre hexadécimal). Dans ce cours on utilisera uniquement des nombres en base 10 mais il existe un piège à éviter : pour écrire un nombre en base 8 on fait précéder ce nombre du caractère 0 pour écrire un nombre en base 16 on fait précéder ce nombre des caractères 0x Par exemple le résultat de l extrait de code suivant est l affichage de 0 (car 27 en base 10 s écrit 33 en base 8) : Attention, le 0 devant une constante entière a une signification! int m = 033, n = 27; // déclaration et init. de n et m 2 printf(" Resultat de m-n: %d\n", m-n); Depuis le C99 il existe des types de la forme int_nt (pour les entiers signés) et uint_nt (pour les entiers non signés) où N indique la taille en bits parmi 8, 16, 32, 64. Par exemple, on peut déclarer un entier x non signé sur 32 bits par l instruction : uint_32t x; Les opérateurs utilisables sur les variables entières sont les opérateurs arithmétiques (binaires et unaires), d affectation, de comparaison et logiques. Notez que / désigne la division entière et % désigne l opération modulo. On détaillera l utilisation des opérateurs logiques plus loin dans ce cours. A propos des opérateurs d affectation il faut préciser la signification des opérateurs de la forme o= où o désigne l un des caractères + - * / % : l expression expr1 o= expr2 a le même effet que l expression expr1 = expr1 o expr2 (sauf qu il n y a qu une évalutation de expr1). Exemple : Opérateurs d affectation arithmétique unsigned long x = 45; 2 x /= 10-5; // même effet que x = x / (10-5); Reste enfin les opérateurs d incrément ++ et de décrément --. Il existe 2 versions de ces opérateurs : une version préfixée et une version postfixée. version préfixée : l opérateur est placé devant l expression et incrémente ou décrémente cette expression avant un opérateur d affecation éventuel 5. depuis le C99

18 18 CHAPITRE 2. SYNTAXE DU C version postfixée : l opérateur est placé derrière l expression et incrémente ou décrémente cette expression après un opérateur d affecation éventuel Exemple : Opérateurs d affectation arithmétique int x = 45; 2 int y = ++x; // préfixé, même effet que x=x+1; y=x; int z = x++; // postfixé, même effet que y=x; x=x+1; Type caractère Les caractères sont manipulés par le système comme des nombres entiers codés sur 1 octet. A chaque caractère correspond une valeur numérique entre 0 et 255. La table donnant la correspondance entre 1 caractère et sa valeur numérique s appelle la table ASCII. Toutes les opérations effectuées sur les entiers sont valables sur les caractères. Le mot-clé utilisé pour le type caractère est char. Une constante caractère est délimitée par des apostrophes simples ' et '. Voici un exemple complet à tester : Exemple d utilisation du type char # include <stdio.h> 2 int main( void) { char c1 = 'b'; // initialitation de c1 avec la valeur 'b' 4 char c2 = c1 / 2; printf(" Le caractere 'b' a pour code: %d\n", c1); 6 printf(" La nombre %d code le caractere: %c\n", c2, c2); return 0; 8 } Types réels La représentation d un nombre réel sur un nombre donné de bits est complexe. Quelque soit le système choisi, on utilise une approximation de ce nombre réel et l erreur commise s appelle erreur d arrondie. Plusieurs mots-clés sont définis pour coder ces représentations de réels : float codage simple précision sur 4 octets (32 bits) double codage double précision sur 8 octets (64 bits) long double encore peu utilisé Dans ce cours on privilégiera les variables de type double qui permettent une bonne précision et moins d erreurs d arrondies que le type float (cf. l exemple suivant). Les constantes réelles peuvent s écrire en notation scientifique en utilisant la lettre e (ou E). Manque de précision du type float float x = 1e-4, s = 0; 2 int i; for (i = 0; i < 1e6; ++i) 4 s += x; // i prend les valeurs de 0 à 1e6 La valeur de s à la fin de cette boucle est et non 100 comme attendu. Que se passe-t-il si on remplace l instruction s += x; par l instruction s = (j+1)*x;? Ecrire le programme avec le type double et vérifier le résultat. Les mêmes opérateurs que pour les entiers sont disponibles pour les réels (à l exception du modulo %).

19 2.2. TYPES 19 Type adresse Il existe un mécanisme très puissant que l on détaillera dans la suite du cours qui permet de manipuler des zones mémoires (des variables ou des fonctions) par leur adresse. Il faut donc définir un type adresse qui dépend du type de la zone mémoire. Par exemple à l adresse d un char se trouve un char (1 octet) et à l adresse d un double se trouve un double (8 octets) : ces deux adresses ont des types différents. La syntaxe pour déclarer une variable de type adresse sur un type est Déclaration d une variable de type adresse type * variable; Le type est suivi du caractère *. L espace entre type et *, ou celui entre * et variable, est facultatif. La notation dépend du programmeur. Définition 4 Une variable de type adresse sur un type est appelée pointeur. Par extension, le type adresse sera appelé type pointeur. Les opérateurs utilisables sont : * & -> (binaire) + (avec un entier). Les pointeurs seront détaillés dans le chapitre suivant. Conversions Tous les types simples peuvent être convertis à l aide de l opérateur (type simple). Ce mécanisme est à utilisé avec précaution mais permet par exemple la convertion d un entier en un réel. Par la convertion d un réel en un entier on utilisera plutôt les fonctions arrondi ou partie entière de la libairie mathématique : round, floor. Dans l exemple qui suit n est converti en double avant la division. Le compilateur utilise donc la division entre 2 réels et non la division entière entre 2 entiers. Exemple d utilisation d un opérateur de conversion int n = 4; 2 double x = 1 / ( double) n; // different de double x = 1 / 4; Tableaux statiques On parle de tableau statique car c est un tableau dont la taille est connue à la compilation. Tous les éléments d un tableau doivent être de même type. Pour déclarer un tableau de N éléments de même type type on utilise la syntaxe suivante : Déclaration d un tableau de taille N type variable[n]; Un tableau de taille N est indexé de 0 à N-1. L opérateur pour accéder à un élément du tableau est l opérateur d accès [] et prend pour unique argument un entier. Dans l exemple suivant on déclare un tableau de 10 double que l on initialise à 0 : Initialisation d un tableau double tab[10]; 2 int i; for (i = 0; i < 10; ++i) { 4 tab[i] = 0; // i prend les valeurs successives de 0 à 9 };

20 20 CHAPITRE 2. SYNTAXE DU C Attention l expression tab[k] avec k non dans {0,...,9} est autorisée par le compilateur (il n y a pas d erreur de syntaxe) mais peut être dangereux à l execution et créer une erreur système. Une syntaxe particulière est autorisée à l initialisation : indiquer toutes les valeurs prises par les éléments du tableau dans une liste entre accolades : Syntaxe réservée à l initialisation int tab[] = { 2, -3, 4e2, 11 }; Tableaux de tableaux Il est tout à fait possible de créer des tableaux d éléments de types quelconques, en particulier de type tableau. Pour déclarer une variable matrice qui serait un tableau de N tableaux de M éléments de type double on écrit ainsi Tableau de N tableaux de M réels double matrice[n][ M]; Il n y a pas d opérateur spécifique pour l utilisation d une telle structure de données. Il faut donc utiliser plusieurs fois l opérateurs d accès [] pour accéder à un élément : Accès à un élément matrice[i]; // accès au (i+1)- ème tableau ( de taille M) 2 matrice[i-1][ j-1]; // accès au j- ème double du i- ème tableau Chaînes de caractères Une chaîne de caractères est représentée en interne comme un tableau de char. Plus précisément, une chaîne de N caractères est codée par un tableau de N+1 char dont le dernier est le caractère nul '\0' (de code ASCII 0). Il existe une facilité d écriture des constantes chaînes de caractères à l aide des guillements " ". Initialisation d une chaîne de caractères char st1[] = "Bonjour"; 2 char st2[] = { 'B', 'o', 'n', 'j', 'o', 'u', 'r', '\0' }; Les deux variables st1 et st2 représentent les mêmes chaînes de caractères Structures Une structure est un type composé qui permet de regrouper plusieurs variables de types différents. Les variables regroupées au sein d une structure s appellent des champs. On associe souvent un nom à la structure (donné après le mot-clé struct) ce qui permet de la réutiliser dans la suite du programme. La déclaration d une structure se fait dans un fichier d en-tête.h si elle doit être réutilisée ou bien dans un fichier source : dans une fonction (déclaration locale) ou en-dehors de toute fonction (déclaration globale). La syntaxe pour définir une structure qui porte le nom nomstruc et qui contient N champs est